Инженеры MIT представили концепцию роботов-амфибий, способных произвести революцию в океанологических исследованиях.
Природа подарила нам удивительные примеры адаптации: более сотни видов птиц, включая тупиков, чаек и бакланов, мастерски освоили обе стихии. Эти пернатые ныряльщики способны стремительно погружаться в водную толщу за добычей, а затем, преодолевая сопротивление жидкости, взмывать в небо.
Вдохновившись мастерством этих птиц, исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) совместно с коллегами из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) создали уникального робота. Аппарат способен не только маневрировать под водой, но и, работая крыльями, совершать эффектный «взлет» из водной среды, переходя к полноценному полету.
Устройство, получившее название «воздушно-водный аппарат с машущим крылом» (FAAV), весит менее 300 граммов. Оно создавалось как инструмент для изучения биомеханики ныряющих птиц, которые демонстрируют невероятную гибкость при переходе между средами с разной физикой.
Конструкция робота включает обтекаемый фюзеляж, пару гибких машущих крыльев и управляемый хвостовой стабилизатор. Модульность аппарата позволяет экспериментировать с геометрией крыльев и хвоста. Серия испытаний в лабораторном бассейне и реальных условиях открытого озера помогла специалистам подобрать оптимальный баланс между частотой взмахов, площадью крыла и углом наклона хвоста, обеспечивающий бесшовный переход из водной среды в воздушную.
Результаты этого исследования, опубликованные в авторитетном журнале «Science», проливают свет на то, как птицы адаптируются к колоссальной разнице в плотности воды и воздуха. Технология открывает путь к созданию нового поколения дронов-амфибий. Океанографы смогут использовать таких роботов для экологического мониторинга или взятия проб в труднодоступных и опасных для судов зонах, например, вблизи айсбергов или в эпицентре китовых миграций.
«Мы видим будущее, в котором морские биологи смогут запускать такого робота прямо с берега или палубы лодки, — делится Рафаэль Зуфферей, доцент машиностроения в MIT. — Он подлетит к цели, погрузится для замеров и вернется с данными. Это гораздо экономичнее традиционных методов, при этом аппарат может повторять циклы погружения и взлета множество раз».
Биомеханика в основе проекта
Лаборатория AURA под руководством Зуфферея специализируется на создании компактных автономных систем, работающих по принципам биомимикрии. Основная сложность проекта заключалась в переходе между средами: плотность воды почти в тысячу раз выше плотности воздуха, что требует принципиально разных подходов к передвижению.
«Чтобы выжить в таких разных условиях, требуется особая адаптация, и природа уже нашла ответ, — объясняет ученый. — Птицы, такие как тупики, развивают под водой скорость до 3 м/с, не теряя при этом способности к быстрому полету. Нам оставалось лишь перенести эту природную механику в мобильную робототехническую платформу».
Изучив динамику полета и плавания различных видов, команда выяснила: мелкие птицы совершают около 10 взмахов в секунду в воздухе и до 4 взмахов в воде. Робот был сконструирован таким образом, чтобы имитировать эти частотные показатели.
Инновации в конструкции
Внешне аппарат напоминает птицу, внутри корпуса которой скрыты аккумулятор и защищенный от влаги двигатель. Коленчатый вал обеспечивает работу крыльев с заданным ритмом. Поверхность мембранных крыльев обработана гидрофобным нанопокрытием, облегчающим выход из воды. Хвостовой оперение с электроприводом помогает роботу управлять вектором движения.
В ходе тестов с тремя типами крыльев (от 60 до 100 см в размахе) выяснилось, что наилучшую эффективность показывает средний вариант. Ключевым фактором стала жесткость материала: крылья должны достаточно пружинить, чтобы эффективно работать в воде, но сохранять стабильность при полете в воздушном потоке.
Выяснилось, что при частоте 5 Гц робот развивает под водой скорость около 1 м/с, а в воздухе — 6 м/с. Для успешного выхода из воды критически важен угол наклона в 70 градусов: это позволяет избежать захлестывания крыльев водой при взлете.
Неожиданным открытием для исследователей стало то, что робот способен взлетать «на крыльях», не прибегая к помощи лап, которые птицы обычно используют для гребли при старте. Это упрощает конструкцию и делает ее более легкой.
В планах команды — добавление возможности поворота крыльев для маневренности и полевые испытания в условиях реального шторма. «Наша цель — обеспечить океанологов инструментом для непрерывного, высокоточного сбора данных, который будет работать автономно и эффективно в любых условиях», — заключает Зуфферей.
